高溫?zé)龘p法控制彈簧鋼脫碳層厚度的工藝實踐

田文慶，李少通，郝文權(quán)

(中信特鋼研究院青鋼分院工藝所 山東青島 266409)

在彈簧鋼生產(chǎn)過程中，以低溫、快速加熱工藝為主流工藝，因為設(shè)備能力不同各廠在生產(chǎn)彈簧鋼時，開軋溫度多數(shù)在920 ℃-1000 ℃之間。低溫加熱工藝可以有效地控制彈簧鋼的脫碳層厚度，但是，這類加熱工藝在實際生產(chǎn)中仍然存在著以下局限性。

首先，60Si2Mn、55SiCr等含硅的彈簧鋼，由于鋼種特性很容易產(chǎn)生表面全脫碳，結(jié)合坯料表面全剝皮處理手段才能解決表面全脫碳問題。

第二，由于低溫加熱工藝，加熱溫度低、時間短，所以在加熱工序無法對坯料的偏析形成改善，不利于成品疲勞壽命的提升。

第三，低溫、快速加熱工藝對生產(chǎn)順行情況要求較高，而彈簧鋼又以小規(guī)格產(chǎn)品占多數(shù)，在生產(chǎn)中產(chǎn)生工藝故障的幾率較高，很容易引起加熱超時造成的脫碳。在排產(chǎn)的時候，容易因為和其他鋼種的加熱溫度相差過大，而不得不加熱爐布料時采取空爐布料，降低了生產(chǎn)效率。

為了克服低溫加熱工藝所存在的缺點，本文開展了高溫加熱控制脫碳工藝的研究。

1 影響脫碳的因素

鋼中含碳量和加熱爐爐氣之間的碳勢差是加熱過程中鋼表面產(chǎn)生脫碳的根本動力。當(dāng)兩者的碳勢差越大，鋼在加熱過程中的脫碳傾向越大，碳勢差越小脫碳傾向越小。加熱時間是決定加熱過程中鋼表面產(chǎn)生的脫碳層厚度的另一因素。

1.1 碳勢的影響因素

碳勢是氣氛的熱力學(xué)特性，表示氣氛的一種平衡能力。減少坯料和加熱爐氣氛之間的碳勢差，就可有效的控制脫碳。影響碳勢差的因素除了鋼自身的鋼種特性外，主要的有爐內(nèi)氣氛和加熱溫度。

1.1.1 爐氣氛圍對碳勢差的影響

不同的氣體對鋼的脫碳影響是不同的，工業(yè)加熱爐內(nèi)主要的氣體有CO、CO、O、N、H、CH、HO等，其中脫碳能力最強的是HO，其次是CO與O，再次是H；而CO和CH則會抑制鋼的脫碳。圖1所示為60Si2MnA表面脫碳隨爐氣內(nèi)CO含量變化的情況，實驗加熱溫度為1100 ℃，加熱時間為60 min。

圖1 CO濃度對60Si2MnA脫碳的影響

從圖1上可得出，當(dāng)氣體中CO的濃度低于30%的時候，CO含量的變化對鋼表面脫碳層厚度的影響變化是很小的。

我司采用高焦混合煤氣作為加熱爐燃料，高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的配比為0.45:0.55。燃氣的主要成份為：H(30.95-34.35%)、CH(12.65-14.85%)、CO(15-17.9%)、CH(1.1-2.2)，O(0.17-0.44%)、CO(0.85-1.65)、N(24.2-30.15%)。考慮到燃氣中主要可燃氣體中的CO、CH和H的綜合作用，燃氣中能夠起到抑制鋼坯脫碳的氣體比例上限不足30%。同時考慮到空氣的混入，加熱爐內(nèi)的氣氛無法達到圖中的要求。所以，對于加熱爐空燃比的設(shè)定，還是以保證燃燒效率、燃料充分燃燒為前提進行微調(diào)。還原性氣氛的空燃比控制在2.1-2.23，氧化性氣氛的空燃比控制在2.9-3.03。

1.1.2 加熱溫度對碳勢差的影響

鋼在加熱時，其表面和爐氣之間存在著碳的化學(xué)位梯度，從而引發(fā)脫碳反應(yīng)。脫碳的動力大小取決于爐氣碳勢與鋼中含碳量之間差異的大小，以及碳在金屬內(nèi)部擴散的速度，這兩者都與加熱溫度直接有關(guān)。

鋼與爐氣的碳勢(化學(xué)位)可以通過熱力學(xué)計算得到。對于一定混合比例的燃氣，不同溫度下的氣體碳活度(以石墨為標(biāo)準態(tài))可以通過式(1)、(2)計算得出，T為絕對溫度。

CO+ C = 2CO

(1)

△G=170707.2-174.47T

(2)

金屬中的碳活度主要受奧氏體中碳和硅含量的影響(以石墨為標(biāo)準態(tài))，通過查詢《煉鋼常用圖標(biāo)數(shù)據(jù)手冊》并結(jié)合考慮硅對碳的影響，可以得出60Si2MnA在不同加熱溫度下的碳活度。

圖2為60Si2MnA中碳勢、爐氣碳勢(CO含量為96.77%)和兩者碳勢差在不同加熱溫度下的變化。圖3為60Si2MnA在CO含量為96.77%的爐氣內(nèi)加熱60 min，不同加熱溫度下的脫碳層厚度。

圖2 溫度對鋼、爐氣中碳勢及兩者碳勢差的影響

從圖中可看出，隨著溫度的升高，爐氣的碳勢不斷降低，但速率不斷減小。60Si2MnA中的碳勢值也成逐漸降低的態(tài)勢，但是下降速率以1150 ℃為界先減小后增大。二者之間的碳勢差隨溫度的變化趨勢為，先增大后減小以1150 ℃處為峰值。

由圖3可見，在一定的爐氣氛圍和加熱時間下，60Si2MnA的脫碳層厚度隨加熱溫度的變化趨勢同碳勢差隨溫度變化的趨勢相吻合。

圖3 60Si2MnA在不同加熱溫度下的脫碳層厚度

從脫碳層厚度隨加熱溫度變化的趨勢來看，為了控制脫碳層厚度在選擇加熱溫度時應(yīng)盡量避開1100 ℃-1180 ℃這一脫碳最敏感的溫度段。

在≤1050 ℃和1220 ℃-1250 ℃兩個溫度段，能明顯減小碳勢差，有利于控制脫碳。在采用低溫加熱時，加熱爐的爐氣氛圍應(yīng)控制為還原性氣氛，更利于降低脫碳層厚度。而高溫加熱時，因為在該溫度段的爐氣碳活度的變化趨近于零，爐氣氛圍對鋼的脫碳趨勢影響變化很小。但氧化性的爐氣氛圍更有利于提高坯料表面的氧化燒損速度，此時氧化燒損速度大于脫碳層的增加速度，總體上更有利于降低脫碳層的厚度。因此，采用高溫加熱工藝時，爐氣氛圍應(yīng)控制為氧化性氣氛。

1.2 加熱時間對脫碳的影響

采用1220 ℃-1250 ℃高溫加熱工藝時，由于成品的最終脫碳層厚度是表面脫碳和氧化燒損兩個行為的綜合性結(jié)果，在氧化性氣氛下燒損速度要大于脫碳形成的速度。所以，對高溫段的加熱時長不是很敏感，同時從消除坯料原始脫碳層和加熱低溫段產(chǎn)生的脫碳層的角度講，高溫段的加熱時長須滿足一個下限，也并非越短越好。

2 高溫加熱工藝實踐

2.1 高溫?zé)龘p法控制脫碳工藝試驗

為了驗證高溫?zé)龘p法的有效性，我們采用60Si2MnA彈簧鋼標(biāo)樣隨爐加熱進行試驗。由于實驗測得的標(biāo)樣脫碳層厚度，是相當(dāng)于坯料在加熱過程中產(chǎn)生的脫碳厚度。所以，我們需要將該厚度用公式折算成不同規(guī)格成品的脫碳層厚度。

2.1.1 鋼坯脫碳層厚度與成品脫碳層厚度的折算公式

設(shè)鋼坯出爐時脫碳層厚度為

H

，成品脫碳厚度

h

，設(shè)出爐后鋼坯的脫碳厚度不會再變化，依據(jù)體積不變定律，則兩者脫碳厚度關(guān)系如下：2(

B

+

W

)·

L

·

H

=2

πR

·

l

·

h

(3)

B

·

W

·

L

=

πR

·

l

(4)

式中

h

：成品脫碳厚度；

H

：坯料脫碳厚度；

R

：成品半徑；

B

：坯料厚度；

W

：坯料寬度；

L

：坯料長度；

l

：成品長度。

兩者簡化，則

(5)

即在成品規(guī)格一定的條件下，成品脫碳厚度與坯料寬度、厚度成反比，與坯料的脫碳厚度成正比。

3.1.2 實驗步驟

實驗選用60Si2MnA連鑄坯制作脫碳標(biāo)樣。

1)制備實驗試樣，將60Si2MnA連鑄坯車削成?50 mm×100 mm圓棒標(biāo)樣，標(biāo)樣表面可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響的缺陷必須車掉。

2) 在標(biāo)樣的側(cè)面上點焊上編號。

3) 將標(biāo)樣豎著點焊于正常生產(chǎn)的GCr15鋼坯的上表面，進行隨爐加熱實驗，加熱工藝如表1所示，標(biāo)樣不與鋼坯接觸的上端面作為最終脫碳層深度的測量面。

表1 實驗方案加熱工藝

4) 按照脫碳層金相制備國家標(biāo)準制備試樣，并進行金相分析，測量其脫碳層厚度。

表1的三個方案中，方案1和方案3都為高溫氧化性氣氛，只是方案1的高溫段在爐時間要比方案3長約20%。方案2為高溫還原性氣氛長時間加熱，高溫段在爐時間和方案1基本一致。標(biāo)樣在出爐后，埋入沙箱內(nèi)冷卻，防止在爐外冷卻過程中繼續(xù)產(chǎn)生脫碳層。

圖4至6分別為三個方案標(biāo)樣的脫碳層情況。從三個方案標(biāo)樣的脫碳情況來看，方案1的標(biāo)樣表面基本上沒有脫碳層， 2.012 mm厚度區(qū)域存在著輕微的晶界脫碳。方案2標(biāo)樣表面存在0.635 mm厚度的脫碳區(qū)域且有明顯的全脫碳，算上晶界脫碳區(qū)總厚度為2.558 mm。方案3標(biāo)樣表面沒有連續(xù)的脫碳層，但存在這點狀的全脫碳區(qū)域，晶界脫碳區(qū)總厚度2.281 mm。除方案2標(biāo)樣0.635 mm厚的脫碳層外，幾個標(biāo)樣存在的晶界脫碳區(qū)在經(jīng)過軋制成型后，脫碳情況達不到脫碳層的判定標(biāo)準。

圖4 方案1標(biāo)樣 圖5 方案2標(biāo)樣 圖6 方案3標(biāo)樣

按我司使用的240 mm×300 mm和180 mm×240 mm斷面坯料生產(chǎn)?16 mm規(guī)格成品，根據(jù)公式(5)計算得出，方案2標(biāo)樣的成品表面脫碳層厚度分別為0.038 mm和0.049 mm，滿足脫碳層厚度≤0.7%D的要求，但存在全脫碳無法滿足某些高端客戶的要求。從3個加熱方案的實驗結(jié)果來看，方案1高溫氧化性氣氛下較長的高溫段加熱時間更有利于控制成品表面的脫碳層厚度。

3.2 工藝實踐

根據(jù)實驗方案1的加熱工藝，采用240 mm×300 mm斷面坯料生產(chǎn)?26 mm規(guī)格60Si2MnA彈簧鋼，表2為試軋批次的加熱情況。

表2 高溫氧化工藝生產(chǎn)彈簧鋼加熱及脫碳情況

圖7和圖8分別為，高溫氧化加熱工藝和低溫快速加熱工藝下的?26 mm 60Si2MnA棒材的表面脫碳層的金相照片。

圖7 高溫氧化加熱工藝成品表面脫碳層情況

圖8 低溫快速加熱工藝成品表面脫碳層情況

從圖7和圖8可以看出常規(guī)的低溫快速加熱工藝生產(chǎn)出的60Si2MnA彈簧鋼，成品表面的脫碳層厚度雖然很薄只有0.166 mm和0.114 mm，但是都存在著明顯的全脫碳。而高溫氧化性氣氛加熱工藝生產(chǎn)的成品表面，完全沒有全脫碳，且脫碳層厚度幾乎為零。

4 結(jié)論

1220 ℃-1260 ℃溫度段對彈簧鋼表面脫碳層厚度的抑制效果，同1000-1050℃的效果近似，也可以有效地控制彈簧鋼表面脫碳層的形成。

1220 ℃-1260 ℃條件下，采用氧化性的爐內(nèi)氣氛，可以有效地將坯料表面的脫碳層通過燒損的形勢去除掉，更有利于降低脫碳層厚度和避免全脫碳層的產(chǎn)生。

高溫氧化性加熱工藝對彈簧鋼坯料在高溫段的停留時間并不敏感，適當(dāng)?shù)难娱L高溫段的停留時間更有利于降低脫碳層的厚度。